巨大ポリケタイド合成酵素による海洋ポリエーテル毒素の生合成。
カリフォルニア大学サンディエゴ校のスクリップス海洋研究所（UC San Diego’s Scripps Institution of Oceanography）の研究チームは、海洋藻類が生成する複雑な化学毒素を解明しようとする過程で、これまでに生物学で発見された中で最大のタンパク質を発見しました。この発見により、藻類がどのようにしてこの複雑な毒素を作り出すのか、その生物学的機構を明らかにすると同時に、新しい化学物質の合成手法も見つかりました。
これにより、新薬や新素材の開発につながる可能性があります。研究者らは、プライムネシウム毒素を生成する藻類「プライムネシウム・パルブム（Prymnesium parvum）」を研究する中で、この巨大タンパク質を発見し、「PKZILLA-1」と命名しました。
「これはタンパク質のエベレストだ」と、スクリップス海洋研究所およびスカッグス薬学研究所に所属し、今回の論文のシニア著者であるブラッドリー・ムーア博士（Bradley Moore , PhD）は述べています。「この発見は、生物が持つ可能性をさらに広げるものです」。
PKZILLA-1は、従来最大とされていたヒト筋肉に存在する「チチン（titin）」というタンパク質よりも25%大きく、長さは最大1ミクロン（0.0001センチメートル）に達します。
本研究は、2024年8月8日発行のScience誌に掲載され、アメリカ国立衛生研究所（National Institutes of Health, NIH）とアメリカ国立科学財団（National Science Foundation, NSF）によって資金提供を受けました。研究では、プライムネシウム毒素を生成するために必要なもう一つの巨大タンパク質「PKZILLA-2」も特定され、これら2つのタンパク質がこの毒素の生成に関与していることが明らかになりました。さらに、プライムネシウムの合成に必要な遺伝子も同定され、この発見は、毒素ではなく遺伝子をターゲットとした新しい有害藻類のモニタリング手法の確立につながる可能性があります。
ムーア博士の研究室で本論文の共同第一著者を務めるティモシー・ファロン博士（Timothy Fallon, PhD）は、「遺伝子をターゲットにすることで、毒素が発生する前に有害藻類の発生を検知できるようになる可能性がある」と述べています。
また、このPKZILLA-1およびPKZILLA-2タンパク質の発見は、藻類がどのようにしてこの複雑な毒素を生合成するのか、その詳細な細胞内組立機構を解明する手がかりとなります。この知見は、科学者が新しい医薬品や工業製品を合成する際の重要な参考となり得るものです。
「自然がどのようにしてこれらの複雑な化学物質を進化させてきたかを理解することで、新しい抗がん剤や新素材の開発などに役立てることができるのです」とムーア博士は説明します。
プライムネシウム・パルブム、通称「ゴールデン藻（golden algae）」は、淡水と海水の両方に生息する単細胞生物です。この藻類が引き起こす藻類ブルーム（algal bloom）は魚類の大規模な死滅を招くことがあり、2022年にはポーランドとドイツに接するオーダー川で500～1,000トンの魚が死滅する事件が発生しました。
プライムネシウム毒素は、ポリケタイドポリエーテル（polyketide polyethers）と呼ばれる毒素群に属し、このグループにはフロリダで赤潮を引き起こす「ブレベトキシンB（brevetoxin B）」や、南太平洋とカリブ海でサンゴ礁魚を汚染する「シグアトキシン（ciguatoxin）」が含まれます。これらの毒素は生物学上最も大きく複雑な化学物質の一つであり、科学者たちはこれまで、その生成機構を解明することに長年苦心してきました。
2019年、ムーア博士、ファロン博士、そして共同第一著者であるヴィクラム・シェンデ博士（Vikram Shende, PhD）らは、プライムネシウム毒素の生化学的および遺伝学的レベルでの解明を目指し、研究を開始しました。従来の方法では、遺伝子を見つけることができなかったため、研究チームは超長鎖遺伝子を特定する新たな遺伝子探索法を用いました。
「我々は、遺伝子を発見することができましたが、それは巨大な毒素を生成するために、この藻類が巨大な遺伝子を利用していることを示していました」とシェンデ博士は説明します。
PKZILLA-1およびPKZILLA-2遺伝子を発見した後、研究チームはこれらの遺伝子がどのようなタンパク質を作るのかを調査し、そのタンパク質が毒素の生成に関連していることを確認しました。ファロン博士によると、遺伝子のコード領域を「楽譜のように」読み取り、アミノ酸配列を翻訳してタンパク質を合成することができたとのことです。
最終的に、PKZILLA-1タンパク質の質量は4.7メガダルトン、PKZILLA-2タンパク質は3.2メガダルトンであることが判明しました。従来最大のチチンの質量は3.7メガダルトンで、これは通常のタンパク質の約90倍に相当します。
PKZILLAタンパク質が毒素プライムネシウムの合成を開始する酵素であることを確認したチームは、239の化学反応からなるプロセスを手書きで追跡し、その結果、プライムネシウムの構造と完全に一致することを発見しました。
ムーア博士は、「この発見により、自然界が複雑な化学物質を作り出す戦略が明らかになり、将来的にはこれを応用して新しい医薬品や素材を合成する手法が開発されることを期待しています」と語りました。
プライムネシウム毒素の合成遺伝子の発見は、プライムネシウムを生成するゴールデン藻の発生をより効率的にモニタリングする手段の確立につながる可能性があります。環境中のPKZILLA遺伝子を検出するためのPCR検査などのモニタリング手法は、新型コロナウイルスのパンデミック中に広く知られたPCR検査に似ており、有害藻類の発生を事前に検知することができるかもしれません。
ファロン博士によると、今回発見されたPKZILLA遺伝子は、プライムネシウム毒素を含むポリエーテル毒素群の生成に関与することが明らかになった最初の遺伝子であるとのことです。
今後、研究チームは、今回用いた非標準的なスクリーニング技術を他のポリエーテル毒素を生成する種にも適用し、シグアトキシンなどの遺伝子を発見し、それにより世界的に影響を及ぼす他の有毒藻類ブルームをモニタリングする手法を開発していく予定です。
本研究には、スクリップス海洋研究所のファロン博士、ムーア博士、シェンデ博士に加え、カリフォルニア大学サンディエゴ校のデイビッド・ゴンザレス氏（David Gonzalez）およびイゴール・ヴィエルツビッキ氏（Igor Wierzbikci）、パデュー大学のアマンダ・ペンドルトン氏（Amanda Pendleton）、ネイサン・ワーテヴォート氏（Nathan Watervoort）、ロバート・オーバー氏（Robert Auber）、ジェニファー・ワイセケイバー氏（Jennifer Wisecaver）が共同研究者として参加しました。
